大型风力发电机组功率与载荷协同控制的优化方法探究

李露

摘要：当前，人们对能源的需求量仍在增加，但也导致了一系列的能源问题，对生态环境产生了一定的影响。这种情况下，环保新能源得到了有效运用，尤其是风力发电技术。基于此，本文首先明确风力发电技术的价值，然后分析大型风力发电机组功率与荷载控制现状，最后分析功率与荷载的协同控制优化措施，旨在实现二者之间的协调发展，有效控制不稳定情况下的荷载，实现大型风力发电机组稳定运行。

关键词：风力发电；功率；荷载

当前，在社会快速发展的情况下，传统化石能源已逐渐消耗殆尽，且化石能源在燃烧过程中还会产生环境污染，人们已经认识到环境保护的重要性，不断开发新型清洁能源，以此缓解能源危机以及环境污染等问题。新能源已成为今后能源产业的发展趋势，得到了社会的广泛关注。有效利用风能与我国可持续发展目标相吻合，而大型风力发电机组作为风能发电的重要组成部分，其运行管理也得到了广泛关注。

一、风力发电技术运用价值

风能属于清洁能源，空气流动会产生风能，因此可以将其作为可再生能源。当前，风能发电已成为当前风能利用的主要渠道，随着风能发电技术水平逐渐提升，其具有成本可控以及操作便捷的优点，已得到社会各界的广泛认可。我国发电机组在容量得到大幅度增长之外，覆盖范围也实现了有效拓展，当前已覆盖西北和东北大部分地区，这些地区的风能资源较为丰富，也为大型风力发电机组的安装和运行提供了有利条件。除此之外，我国逐渐加强在沿海和海上地区的风力发电机组建设力度，充分运用我国浅滩以及近海附近的风力资源，并制定了相应的管理条例和暂行办法，从中能够看出，风力发电已成为我国今后电力资源开发的主要方向。大型风力发电机组是风能发电中的核心装置，正常运行需要严谨的风电控制系统予以支撑，既要确保风力发电机组正常运行，又要提高风能的捕获效率，提高发电效率。同时，实时监督机组的实际运行情况，确保各环节的零部件荷载在承受范围内，发电机组能在生命周期内安全运行。风速具有随机性和瞬变性，因此，风力发电机组零部件在实际运行中，始终处于较疲劳的状态，该种情况会增加机组的实际运行成本，造成损耗率上升。针对这一现象，可以对发电机组的功率和荷载进行协同控制，这对大型风力发电机组日后的持续运行而言具有重要作用。

二、大型风力发电机组功率与荷载控制现状

（一）功率控制现状

机组功率控制的最终目标为在实际风速小于额定风速的状态下，通过最大功率追踪控制策略管理风力发电机组的最大风功率，主要包括以下方法：

第一，最优叶尖速比控制策略。该策略在实际操作中，要根据风速的实际变化情况控制叶尖速比，使其能保持最佳运行状态，确保机组在任何风速中都能实现风能的最大利用。该种方法在实际运用过程中，简单方便，能在准确测量风速的同时使用控制器完成控制。

第二，功率信号反馈控制策略。该方法要先测量大型风力发电机组的转速，再利用最大风功率曲线确定转速最大输出功率，将其与电功率数据对比，确定误差曲线，最终通过调节转速的方式进行控制。该种方法的优势是不必准确量测风速，可以降低发生误差的概率，但要掌握大型风力发电机组的功率曲线。在运行过程中可能会出现参数变化，导致最终数据的准确性降低。同时，在测量风力机转速和电机转速阶段，会增加设备使用成本。

第三，分段控制方法。这是在传统风能捕捉策略基础上形成的新策略，在运用中能充分利用系统运动方程以及风力机的特点，通过发电机转速控制转矩，即使不增加系统荷载，也能实现风能的有效捕获。

（二）荷载控制现状

1.叶片荷载分类

大型风力发电机组中叶片荷载可以大致分为两种类型：

第一，叶片机械荷载。机械荷载中包含疲劳荷载以及极限荷载。疲劳荷载属于风机荷载，主要指的是发电机组在正常运行的状态下，设备零部件受到荷载长期影响，零件出现损坏甚至毁坏的情况。风机设备长期处于该种情况下，疲劳荷载量快速增加，严重情况下会出现疲劳损伤的情况。一旦大型风力发电机组长期在风速不确定或强烈阵风的条件下运行，风速对叶片瞬间的冲击会使叶片以及其他零件出现疲劳荷载，导致叶片出现断裂等现象。对此，可以采用静强度设计的方法，增加安全系数阈值，确保大型风力发电机组安全运行。

极限荷载是保证机组长期在安全范围之内运行荷载的最大值，要想确保机组安全运行，叶片设计阶段就要全面分析极限荷载问题。由于大型风力发电机组叶片荷载具有较大的随机性，不能仅使用数学公式进行定义，还需要通过概率统计的方式，对极限荷载进行分类，在此基础上根据不同类型，制定有针对性的控制措施。

第二，叶片空气动力荷载。叶片是大型风力发电机组运行中实现能量转化的主要部件，无论处于何种风速、何种运行状态下，叶片中都存在多种形式的力矩作用。其中，空气动力是风轮叶片承受的主要作用力，分析叶片荷载对大型风力发电机组荷载控制非常重要。通常情况下，叶片中的作用力分为动力、重力以及惯性力三种类型，其中，空气动力是叶片主要承载力，重力产生的荷载指的是在风力发电过程中，叶片在摆振方向根据周期变化产生力的总和。

2.叶片荷载控制方法

随着发电机组容量增加，要想充分发挥电机的作用，需要增加机组叶片的尺寸。叶片是实现风能转换的关键零件，在得到风能的过程中，会受到较大的气动荷载冲击。同时，大型风力发电机组中其他设备受到的荷载，多数是叶片气动荷载，因此，叶片是实现荷载控制的关键。大型风力发电机组叶片，从最初的设计到最后实际运用和维护处理包括大量不同领域的学科知识，例如，空气动力学、电气学以及材料学等，所以这一过程较为复杂。要想确保叶片在实际运行中的质量，则要从多个领域入手。在风能使用的初期阶段，叶片制作材料较为简单，主要是木头以及草片等；在工业革命和科技革命后，对风能的需求量持续增加，叶片在制作中也不断发展；发展到现在，玻璃纤维和碳纤维是叶片的主要制作材料，在实际运用的过程中具有安装难度小、价格低、质量轻等优点。

在确定叶片材料之后，要分析讨论叶片的荷载问题，大型风力发电机组在运行中状态不同，采用的控制方式也会不同，每个方式都要将机组运行参数作为标准依据。因此，在计算荷载的过程中，要根据标准流程，利用计算机软件计算叶片荷载量。

在控制荷载的过程中，将主动控制作为关键点，并通过闭环控制的方式实现，建立输出反馈回路，实时监测系统运转情况，通过调整输入量的方式调整系统，变更结构等各项参数，以此确保在系统没有达到动态特性模式前始终处于运转状态。

三、大型风力发电机组功率与荷载协同控制优化措施

当前，我国风力发电技术处于不断提升阶段，且单机容量处于持续增长阶段，已达到MW级别，随着技术发展，容量处于持续提升阶段。另外，海上风电已出现，对于前海以及沿海滩风力发电机组的需求逐渐增加。但大型风力发电机组内部较为复杂，包含多个领域的相互融合，需要在确保输出功率最大的同时，有效控制叶片荷载，这对实现大型风力发电机组安全稳定运行而言具有非常重要的作用。

（一）功率控制优化

1.功率优化措施分类

根据上述内容，在优化大型风力发电机组功率控制的过程中，可以从以下方面入手：

第一，最佳叶尖速比优化策略。该策略的关键是测量电机的实时转速以及输出功率，将其作为电机转速调节的参考条件，从而有效控制最佳叶尖速比。

第二，爬山搜索控制优化策略。该种控制措施主要通过不断改变的控制策略方式，针对电机转速扰动量，在一定范围内搜索最大风功率。如果大型风力发电机组输出功率曲线处于上升趋势，表示输出功率仍存在上升空间，该种情况下电机转速扰动量的数值为正数，电机转速处于增加状态，直到达到最大输出功率为止。但是如果大型风力发电机组输出功率处于持续降低的状态，说明当前功率在下降区域中，电机扰动量为负数，需要降低电机转速，将大型风力发电机组功率提高到最大值。该种方法在惯量小的机组中具有非常明显的运用效果，在此基础上，相关人员又总结出了变步长爬山搜索法以及三点比较法，如图1所示。

2.功率优化流程

目前，优化大型风力发电机组功率的主要途径主要有：第一，通过控制桨距角的方式控制源头功率；第二，控制电机励磁，调整电机转速，最终实现对电功率的管理优化。大型风力发电机制在正常运行情况下，主要分为以下四个阶段：

第一阶段，启动阶段。在该阶段中，机组从零开始运转，处于低于切入风速阶段，机组发动机仍处于待机状态。发动机只进行机械旋转，并不做功，不会产生实际风功率。该阶段的主要运行目标是为下一阶段作准备，如果实际风速大于切入风速，大型风力发电机组能在短时间内可以调整发电机定子电压，完成并网。

第二阶段，有效风能获取阶段。风速达到一定标准之后开始并网，大型风力发电机组将获得的风能转化为电能，输送到电网中。该部分风速在最低风速和标准风速之间，而且风速存在随机性，要想在该阶段中实现有效风获取最大化，需要控制风机转速，增加风能利用系数，直到达到最大值，再进入恒转速区域，在该区域中可以采取上述控制方法，并根据具体情况进行选择。

第三阶段，恒转速阶段。在风速增加的状态下，当发动机转速达到最大值后，电功率在额定值以下，要想始终保持转速恒定，需要提高发动电机的励磁电压，提升发动机功率，直到达到额定功率为止。

第四阶段，恒功率阶段。在该阶段中，实际风速在额定风速与最大切出风速之间，且风电机的转数处于最大值。如果依旧采用增加励磁的方式则无法实现全部风能的有效转化。对于这一情况，需要调整桨距角，降低风能吸收量，既能确保功率，还能实现大型风力发电机组安全运行。

（二）荷载控制优化

针对大型风力发电机组叶片荷载控制，可以从叶片设计以及桨距角控制角度出发，第一，在叶片设计阶段，充分考虑叶片在实际运行中存在的影响因素，其中，包括叶片极限荷载的数值、计算极限荷载发生的概率以及叶片疲劳出现的原因等，制定相应的解决措施。叶片在完成制造之后，无论是参数还是机械强度，都不会发生变化，不能通过调整外部条件的方式控制荷载，这也是设计调整中存在的一大弊端。第二，在采取叶片桨距角控制法阶段，能实现在大型风力发电机组运行过程中控制荷载。此种方法已在大型风力发电机组中得到了普遍运用，但由于叶片在完成生产后，自身参数无法得到有效调整，只能通过控制桨距角的方法把叶片在运行中的气动荷载信号传递到桨距角控制器，利用控制器调节，最终达到降低叶片荷载的目的。

以上过程中，准确测量叶片气动荷载是进行控制的关键，可以在叶片内部设置应变片或利用光纤传感器的方式完成测量。其中，桨距角控制器使用中，主要功能是将桨距角在规定角度内完成线性化运动，变化情况与理想角距角数值具有紧密联系，利用其中的反馈功能，将实际数据传输到数据库中，相互对比分析确定反馈误差，再将反馈误差情况传输到控制器中，从而有效控制桨距角。

在对其进行优化的过程中，可以将风速引入桨距角控制中，进行线性化处理，根据风速变化情况和功率荷载，全面控制桨距角，以此完成功率与荷载的协同管理。这种方式与以往策略相比，风速在标准值以下的情况下，在风速某一位置中增加过渡区，将该区域中风速控制在一定范围内，并且桨距角变化方式与以往也存在较大不同。如果风速在该区域中发生变化，桨距角速率也会随着风速发生变化，风速与桨距角之间存在正向关系。这种控制方式能进一步缩小时间单位中桨距角的变化，进而延长桨距角的变化过程，有效缓解该区域中叶片受到的瞬间荷载，缩小功率的变化幅度，增强功率的稳定性。该种情况下，风速变化对电网产生的影响会降低，进而实现功率与荷载之间的协同控制。

四、结语

综上所述，在当前大力发展清洁能源的背景下，风力发电技术得到了有效运用，大型风力发电机组作为风力发电系统中的重要组成部分，需要对功率以及荷载进行协同控制，以此提高大型风力发电机组的稳定性和安全性，减少零部件的损耗。在此过程中，应从功率以及荷载两个角度出发，分析二者协同控制措施，实现大型风力发电机组运行性能的优化，最终达到提高风能发电效率的目的。

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